Fe/g-C3N4的耐腐蚀性能研究

2019-03-22高续春

榆林学院学报 2019年2期

高续春，梁颖，徐慧

(1.陕西省低变质煤洁净利用重点实验室，陕西榆林 719000；2.榆林学院化学与化工学院，陕西榆林 719000)

催化剂成为现在科学研究的热点之一，许多的光催化剂相应问世，并且被应用在实际生产，帮助人们解决能源短缺与生态污染问题，为人类创造了巨大的价值，对于人类的发展意义重大[1-6]。但是光催化实际应用技术的开发面临诸多难题，如光催化剂的稳定性就是问题之一。事实上，光催化剂的稳定性一直是限制光催化剂在实际应用中的关键因素之一，在酸性，碱性，高温，甚至光照等条件下活性的变化趋势以及在这样的环境下腐蚀程度，是现在对于催化剂实际应用必须解决的难题[7-10]。石墨相氮化碳(g- C3N4)具有较好的化学惰性、生物兼容性以及稳定性[11,12]，还是一种有机半导体材料，在光催化领域有着很不错的实际应用前景[13,14]。本文着重研究g-C3N4的耐酸碱腐蚀性，为其后续的工业应用提供良好的基础。

1 实验部分

1.1 试验材料与仪器

浓硫酸，分析纯，天津大茂化学试剂厂；氯化铁，分析纯，天津大茂化学试剂厂；聚乙二醇，分析纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；氨水，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；盐酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；硝酸，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；三乙聚胺，分析纯，阿拉丁试剂有限公司；所用水为去离子水。

可编程一体化箱式电炉(SXF-2.5-10)，电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9070C)，杭州蓝天化验仪器厂；光化学反应仪(BL-GHX)，西安比朗生物科技有限公司；循环水式多用真空泵(SHB-B95)，郑州长城科工贸公司；磁力搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司(MYP11-2)；分析天平(BSA)，赛多利斯科学仪器；超声清洗仪(GT SONIC-L)，广东固特超声股份有限公司；傅里叶变换红外光谱(Nicolet 6700)，美国Thermo有限公司；紫外可见光光分度计(UV-2450)，日本岛津有限公司；透射显微镜(JEM-2800)，日本电子有限公司；射线粉末衍射仪(PW1800)，荷兰Philips有限公司。

1.2 g-C3N4复合光催化剂的制备

取50g双氰胺分为5份放入半封闭坩埚中，然后将坩埚放入电炉中，由室温加热以2℃/min的速度加热至550℃后保温4h，待温度降至室温，将坩埚取出，再用研钵研磨，得到淡黄色粉末即g- C3N4，保存备用。

1.3 Fe/g-C3N4复合光催化剂的制备

取3份4g氮化碳，依次用蒸馏水，无水乙醇，丙酮，蒸馏水的顺序清洗。然后分别加入1% 0.04g、4% 0.16g、8% 0.32g的氯化铁，混合搅拌后，放入电热恒温鼓风干燥箱中，将温度调到65℃，烘烤，直至得到淡黄色和少量红褐色的固体。研磨后，置于坩埚并放入电炉中，由室温加热以2℃/min的速度加热至550℃后保温4h，待温度降至室温，用玛瑙研钵研磨，得到淡红褐色粉末，贴上标签保存。

1.4 Fe/g-C3N4的耐酸腐蚀实验

称量6份Fe/g-C3N4样品，接着配制浓度为10mol/L和15mol/L硫酸各3份(配制过程中注意安全)，并贴上标签，见表1。然后将6份样品分别置于1～6号硫酸中，搅拌均匀，放置不同的时间，具体见表2。将腐蚀结束的样品经过循环水式多用真空泵依次用蒸馏水，无水乙醇，丙酮，蒸馏水清洗，并放入电热恒温鼓风干燥箱中烘干。

表1 样品不同程度酸化

表2 酸化样品放置时间

2 结果与讨论

2.1 样品的结构表征

本实验对g-C3N4和8% Fe/g-C3N4进行了X射线衍射测试，在空气气氛下进行，电流I为30 mA，电压U为30 KV。采用大角X射线衍射对所得样品进行连续扫描，得到样品XRD光谱图。图1(a)和(b)分别为X射线检测原理和g-C3N4跟Fe/g-C3N4两个样品的X射线衍射光谱图。

(a)X射线检测原理公式示意图 (b)g-C3N4和Fe/g-C3N4X射线衍射谱图

图1 X射线检测原理和X射线衍射光谱图

通过对XRD光谱图的分析，可以获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息。如图1b所示，g-C3N4和8% Fe/g-C3N4的XRD光谱图在和出现两个明显的衍射峰，分别对应与石墨相氮化碳的002和100两个晶面，在8% Fe/g-C3N4的XRD光谱图中并没有发现新的衍射峰，说明Fe/g-C3N4复合催化剂纯度很高。

2.2 催化剂的耐酸腐蚀研究

将实验中制备的Fe/g-C3N4放入不同浓度的浓硫酸中，经过不同的时间腐蚀后，将样品清洗、干燥后进行红外光谱(FT-IR)检测。图2是不同掺杂量的Fe/g-C3N4在腐蚀前的FT-IR图谱，而图3是8% Fe/g-C3N4样品分别在浓度10mol/L 、15mol/L的 H2SO4溶液中腐蚀8h、12h和 16h后得到的FI-IR谱图。为了研究催化剂耐腐蚀性能，查看Fe/g-C3N4的FT-IR图谱在腐蚀前后的变化，就可分析Fe/g-C3N4在腐蚀前后结构的变化。

图2 部分样品腐蚀前的红外光谱图

(a 10% Fe/g-C3N4; b 8% Fe/g-C3N4; c 1.5% Fe/g-C3N4; d g-C3N4)

图3 8% Fe/g-C3N4样品经不同浓度硫酸腐蚀不同时间后的红外检测图谱

(a 15mol/L, 16h; b 10mol/L,16h; c 15mol/L, 12h; d 10mol/L, 12h; e 15mol/L, 8h; f 10mol/L)

由图2可知，Fe/g-C3N4的吸收峰在800， 1230-1540和3000-3400区域， Fe/g-C3N4的振动峰与g-C3N4的振动峰基本相似，这与文献的报道基本一致[12]。另外，对于不同掺杂量的Fe/g-C3N4，其FI-IR谱图有着微小的不同，这也说明，不同的样品，其FI-IR谱不同(见图2)；

从图3可以看出，Fe/g-C3N4在不同浓度的硫酸中腐蚀后，硫酸浓度越高，Fe/g-C3N4的在2390 cm-1吸收峰有些许差异，这是由于在不同浓度硫酸环境中，Fe/g-C3N4受到H+的攻击，其层状结构中的“氮孔”受到不同程度的极化，“氮孔”发生细微地变形而引起；但在其他重点的吸收峰部位，FI-IR谱图基本一致，基本没有变化，说明Fe/g-C3N4在腐蚀前后，其结构没有明显变化。

将图3中经过不同腐蚀时间的曲线与图2中曲线b相比较，可以发现，尽管在硫酸中的腐蚀时间长短不一，但其FI-IR谱图中吸收峰基本相同，变化细微，基本可以认为，Fe/g-C3N4随着腐蚀时间的延长，其结构变化不大，即就是，Fe/g-C3N4催化剂的结构没有被破坏，催化剂是可以经受浓硫酸的腐蚀。